JP3613200B2

JP3613200B2 - Optical module

Info

Publication number: JP3613200B2
Application number: JP2001146889A
Authority: JP
Inventors: 伸好田遠; 博実岩本; 孝昭広瀬
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2021-05-16
Also published as: US6588948B2; KR20020018578A; CA2355159A1; US20020044748A1; KR100405289B1; JP2002148492A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いられる光モジュール、特に気密性が高く、伝送する光の偏光面の崩れのない光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年発達の著しい光通信の分野では、光信号を確実に伝達するために、光モジュールの気密性が重要視されている。それは、光モジュール内部が高温高湿状態となると、その内部に配置された光半導体素子の電極部が劣化することと、内部に侵入した水分が結露して光半導体素子の光学特性が劣化し、１０年以上の光半導体素子の寿命を保証できなくなることによる。
【０００３】
ところで、光モジュールは、内部の光半導体素子と外部の光ファイバーを、レンズを使用して光学的に結合する役割がある。光モジュールの気密性を確保したままこの光学系を維持するために、光半導体気密封止容器には、光透過型の窓構造を採用している。
【０００４】
光モジュール用の筐体（気密封止容器）の窓材には、透光性に優れており、かつ、強度も高いことから、サファイアがよく使用されている。特開平８−１４８５９４号では、光透過型の窓にサファイアを使用した光モジュール用の筐体の基本構造と製造方法について開示されている。この筐体の窓構造について、特開平８−１４８５９４号では、光軸とサファイアのＣ軸との関係が述べられている。ここでは、スネルの法則に従って屈折する光軸と窓板のＣ軸とを一致させて、光の複屈折を生じさせない、即ち光の偏光面が回転しないような窓構造が提案されている。
【０００５】
特開平１１−５４６４２号では、窓板に硼珪酸ガラスを使用した光モジュールの窓構造が提案されている。硼珪酸ガラスは、安価であり、かつ、透光性についてはサファイアよりも優れている。さらに、硼珪酸ガラスは等方的材料であって光の複屈折を生じない材料である。しかし、硼珪酸ガラスは熱等の応力によって弾性歪みが生じるために透過する光の偏光面が崩れるという問題点があった。しかし、特開平１１−５４６４２号に開示されているように、ガラスに均一に応力をかけることで光の偏光面の崩れは小さくでき、その際は、光の偏光面の崩れの指標となる、後述する偏光消光比が−４０ｄＢ程度と小さくなって実使用上問題にならないことが分かった。
【０００６】
ここで、光の偏光面の崩れは、次のような偏光消光比で表されるのが一般的である。クロスニコルの実験系において、光射出側の偏光子を光入射側に対して９０度回転させたとき、最大となる光強度をＩ_ｍａｘ、最小の光強度をＩ_ｍｉｎとすると、偏光消光比は１０×ｌｏｇ_１０（Ｉ_ｍｉｎ／Ｉ_ｍａｘ）で定義される。したがって、偏光消光比が小さいほど光の偏光面の崩れが小さいことを示している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年、光通信における高密度波長多重技術と高速化技術の高度化に伴い、伝送する光の偏光面を維持することと、その波長の均一性を確保することが大きな課題となっている。このうち、後者を解決するには、光ファイバーグレーティング等の、気密封止容器の外に光ファイバーを介した外部共振器構造を形成することが望ましいが、この場合にも光の偏光面の維持が必要となる。このとき必要となる偏光面の維持程度は、上述した偏光消光比で−３０ｄＢ、すなわちＩ_ｍａｘがＩ_ｍｉｎの１０００倍を上回る程度であり、上記の従来技術では達成できない厳しい条件となっていた。
【０００８】
さらに、窓板にサファイアを用いた上記の従来技術では、光軸とサファイアのＣ軸との好ましい関係を成立させるために次のような方法を用いなければならない。すなわち、Ｃ軸に対し垂直に切り出したサファイア板を用いて、光軸に対しそのサファイア板を垂直に配置して光軸とＣ軸を一致させるか、そうでない場合には、わざわざＣ軸に対して特定の角度を有するサファイア板を研磨して作製し、さらに光軸に対してそのサファイア板のＣ軸位置を厳密に位置合わせすることが必要であった。前者の場合には、入射側に反射戻り光が発生し、光モジュールには適さない。後者の場合には、厳密な位置合わせが難しく、角度を正確に固定して窓部分を製造することは困難であった。
【０００９】
また、窓板に硼珪酸ガラスを用いた場合でも、硼珪酸ガラスは強度が弱いという欠点がある。したがって、硼珪酸ガラスの窓板は、より過酷な条件下で使用するには適しておらず、実使用において不十分な材料であった。実際、海底ケーブル用の超高信頼性が要求される分野での使用はいまだ避けられているのが現状である。
【００１０】
そこで、本発明では、製造が容易で、機械的強度があり、偏光消光比が小さくて偏光面の崩れのない窓構造を有する光モジュールを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、筐体と、
上記筐体に固定された、サファイア板を用いた光透過型窓構造を有する接合部とを有し、光軸から見てサファイアのＣ軸と直線偏光である光の偏光面とのなす角度ψと、サファイアのＣ軸と光軸とのなす角度θとの間に、次の関係式（１）〜（４）が成立することを特徴とする光モジュールが提供される。
（１）ｎ＝ωε／√（ω^２ｃｏｓ^２θ＋ε^２ｓｉｎ^２θ）
（２）δ＝２πｄ（ω−ｎ）／λ
【数２】

（４）−３０≧＋２０ｌｏｇ（ｔａｎβ）
ただし、
ω：サファイアの主屈折率
ε：サファイアの副屈折率
λ：透過光の波長
ｄ：サファイア板の厚さ
【００１２】
さらに本発明によれば、上記の光モジュールであって、サファイアの板厚が０．２８ｍｍのときに、Ｎを整数としたとき、上記の
角度ψと上記の角度θとの間に次の（５）〜（７）のいずれか一つの関係式が成立していることを特徴とする光モジュールが提供される。
（５）６度≦θ≦１０度かつ（９０Ｎ−９）度≦ψ≦（９０Ｎ＋９）度
（６）２度≦θ＜６度かつ（９０Ｎ−３２）度≦ψ≦（９０Ｎ＋３２）度
（７）１０度＜θ≦１４度かつ（９０Ｎ−５）度≦ψ≦（９０Ｎ＋５）度
【００１３】
まず、サファイアのＣ軸と光の偏光面とのなす角度ψ、及び、サファイアのＣ軸と光軸とのなす角度θを図２を用いて説明する。図２（Ａ）において、実線の矢印は光軸を表し、その矢印の方向は光の進行方向である。図２（Ａ）の中央の長方形は、サファイア板の断面であり、破線の矢印はサファイア結晶のＣ軸を表している。サファイア板は、Ｃ軸に垂直になるよう切り出され研磨されている。この図に示すように、光軸とサファイアのＣ軸とのなす角がθである。図２（Ｂ）は、（Ａ）を入射光側から見た図であり、円形のサファイア板が示され、光軸は紙面に垂直となっている。図２（Ｂ）の実線の両矢印は、入射光の偏光方向を示している。図２（Ｂ）の破線の矢印はサファイア結晶のＣ軸の紙面（光軸に対して垂直な面）への投影を示しており、実際のＣ軸はθ分だけ紙面から斜め上方に向かっている。図２（Ｂ）に示すように、このＣ軸の投影と光の偏光方向とのなす角がψである。
【００１４】
サファイアのように一軸性の結晶では、光軸と結晶のＣ軸を一致させると複屈折は起きなくなり、入射光の偏光面が回転することなく維持される。しかし、前述のように反射戻り光の影響があったり、製造上の困難があったりする。一方で、本発明者らは、実験により、入射光が直線偏光であれば、入射光の光軸とサファイアのＣ軸とを一致させずとも、入射光の偏光面とＣ軸のなす角度を０とし、両者を同一面とすることで複屈折は生じなくなることを確認した。加えて、光通信の分野で必要な十分条件である偏光消光比−３０ｄＢを確保するには、やはり光の偏光面とＣ軸を同一面とすればよいことが分かった。ところが、この光の偏光面とサファイアのＣ軸を厳密に同一面とすることは、筐体を製造する上で大変困難である。
【００１５】
そこで、本発明者らは研究の結果、入射光の光軸とサファイアのＣ軸とのなす角度θ、入射光の偏光面とサファイアのＣ軸とのなす角度ψ、サファイアの主屈折率ω、サファイアの副屈折率ε、透過光の波長λ及びサファイア板の厚さｄを用いて、直線偏光のみを扱う場合に、透過光の偏光消光比を確度を高く記述できる近似式を得ることに成功した。それが前述の（１）〜（３）及び（４）の右辺の式である。図４〜６のグラフはそれぞれ、ｄを変えたときの偏光消光比の実測値及び計算値のθ及びψに対する依存性を示している。これらのグラフから、実測値と近似式を用いた計算値がよく一致していることが分かる。
【００１６】
さらに、試作実験の結果、本発明者らは望ましい偏光消光比を得られる最適な範囲を見出した。上記（４）の不等式、及びｄが０．２８ｍｍのときの（５）〜（７）の関係式がその最適範囲である。すなわち、入射光の光軸とサファイアのＣ軸とが一致していなくとも、その光の偏光面とＣ軸とのなす角度を小さく抑えることにより、偏光消光比−３０ｄＢ以下の条件を満足することができる。逆に、入射光の偏光面とサファイアのＣ軸の角度を大きくとって製造しやすくしても、入射光の光軸とＣ軸との角度を小さく抑えることにより、−３０ｄＢ以下の条件を満足することができる。（４）が成立するとき、サファイア板の厚さｄは、０．３ｍｍ以下が好ましい。後述する実施例では、厚さ０．２８ｍｍのサファイア板を用いた。
【００１７】
また、半導体レーザを使用して、本発明の光モジュールの接合部の外側に偏光保持（ＰＡＮＤＡ）ファイバーを接続することによって、直線偏光の偏光面をさらに正確に、高度に保ったまま光を伝送することができる。この場合には、光ファイバーアンプに必要な複数の励起光を偏波合成して、効率よく光ファイバーアンプを使用することができる。したがって、伝送する光信号の効率的な増幅が可能である。また、本発明の光モジュールとともに光通信に用いられるアイソレータの構造を簡略化することが可能で、低コスト化も可能となる。
【００１８】
また、本発明の光モジュールを用い、異方性光学材料であるＬＮで作製した変調器では、窓の偏光消光比が小さいために、ＬＮ変調器内部で生じる複屈折を抑制することが可能で、Ｓ／Ｎ比のよい光信号を得ることができる。
【００１９】
また、本発明の光モジュールの筐体内部に半導体レーザを装着して用いると、窓の外に接続するアイソレータでの光損失を抑制することができる。
【００２０】
さらに、本発明の光モジュールは、サファイア板の外側に、四分の一波長板（λ／４板）を備えていてもよい。従来、半導体光増幅器では、増幅特性に偏波依存性が生じることが問題であった。しかし、光モジュールへの入射光をλ／４板によって直線偏光とした後で、本発明の光モジュールを用いた半導体光増幅器を用いれば、偏波依存性がなく増幅特性を向上させることができる。λ／４板の挿入によって直線偏光を得た後、偏光面をサファイアのＣ軸に対して位置合わせして、さらにλ／４板をＹＡＧ溶接すると、半導体光増幅器の増幅特性はさらに向上させることができる。したがって、その半導体光増幅器を利用した波長変換素子や高速動作可能な光−光スイッチング素子のインサーションロスを低減させ、Ｓ／Ｎ比のよい光信号を得ることができる。
【００２１】
さらにまた、本発明の光モジュールの接合部の外側に、選択的に特定の波長を反射する反射機構、例えば光ファイバーグレーティングを設けることにより、光モジュール内部の光素子と共振させることができる。このときに窓の複屈折によって生じる光信号の発振モードの乱れを抑制することが可能となり、さらに光信号のロスも小さくできるので、信号の光強度が増す。
【００２２】
上記の関係式（５）〜（７）において、Ｎを０又は偶数にすると、光をサファイア板に入射した際、サファイアの分極による吸収が生じなくなる。そのため、サファイア板の透過率がよくなり、光信号を損失することなく伝送できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
【実施例】
１）光半導体気密封止容器の作製
本実施例では、サファイアのＣ軸と光の偏光面とのなす角度ψと、光軸とＣ軸のなす角度θとの間に次の関係式が成り立つように、本発明の光モジュールの一形態として、光半導体気密封止容器を以下のように作製した。Ｎは、０とした。
６度≦θ≦１０度かつ（９０Ｎ−９）度≦ψ≦（９０Ｎ＋９）度
【００２４】
作製した光半導体気密封止容器の窓部の概略構成を図１に示す。気密封止容器１は、底板５と、容器側壁２とで全体が構成される。容器側壁２には筒状部３が設けられ、その中に円形のサファイア板４がはめ込まれている。サファイア板４に対応する容器側壁２部分は、円形に切り取られており、筒状部３とサファイア板４は光透過型の窓を構成している。
【００２５】
光半導体気密封止容器１は、底板５をコバール、容器側壁２をコバール、光透過型の窓の筒状部３のパイプにもコバールを用いて、銀鑞付けにより作製した。これに、端子部はコバールのピンを低融点ガラスにて封止した構造のものに、ニッケル金メッキを施して用いた。容器側壁２には、サファイア板４をはめ込むために、筒状部３として側壁に対してθの角度面を有するパイプを、θの角度面が入射光の偏光面に対してψだけ傾くように銀鑞付けした。実際には、容器側壁２に円筒形の穴をあけて、円柱形のパイプをはめ込み、カーボン治具で位置合わせした。用いたサファイア板の厚さは０．２８ｍｍであり、そのサファイアの屈折率はＣ軸に沿って１．７６７９、Ｃ軸に垂直な面では１．７５９６であった。サファイア板４の表面は、Ｃ軸に垂直であるものを使用した。実際にはＣ軸に角度ずれがあるために、カーボン治具はθとψが小さく取れるように設計した。サファイアには、ＭｇＦのＡＲコートを施した。ここで、コーティングは、ＭｇＦ以外に、ＴｉＯとＳｉＯの多層膜を用いてもよい。θがブリュースター角である場合には、ψを小さく、０度に近づければ、サファイア板にＡＲコートを施さなくてもよい。サファイア板上のメタライズは、サファイア側からＴｉ／Ｐｔ／Ａｕであった。サファイア板は、ＡｕＳｎ鑞材で、気密封止容器１に封止接合した。
【００２６】
２）偏光消光比の測定
上記のように作製した光半導体気密封止容器について、θとψをパラメータとし、光信号がサファイア板の窓を通過した後の偏光消光比を求めた。ここで、ＬＤ光はλが１．４８μｍ（０．００１４８ｍｍ）の光を使用した。その結果を図６のグラフに示す。このグラフから、実測値と近似式を用いた計算値がよく一致していることが分かる。さらに、ψとθの範囲を明確に示すために、図３のグラフを示した。図３において、横軸はψ、縦軸はθ、グレーの濃淡の領域は偏光消光比を示している。偏光消光比は、ψに対して９０度の周期性があり、最大点及び最小点は９０度ごとに繰り返されている。グレーの濃淡で示した各領域のうち、ψが４５度のときは、偏光消光比はどの角度のθにおいても最大値をとり、ψが０度及び９０度のときは、偏光消光比はどの角度のθにおいても最小値をとることが分かった。ψを、０度から半周期である４５度ずつずらしてゆくと、偏光消光比の最大と最小は入れ替わる。偏光消光比が最大となる、ψが０度及び９０度の付近では、θが大きくなっても偏光消光比はあまり変動しない。しかし、偏光消光比が最小となるψが４５度及び１３５度付近では、θの変動によって偏光消光比が大きく変動する。光通信に要求される偏光消光比−３０ｄＢ以下となるθ及びψの範囲は、次のとおりであった。
６度≦θ≦１０度かつ（９０Ｎ−９）度≦ψ≦（９０Ｎ＋９）度
２度≦θ＜６度かつ（９０Ｎ−３２）度≦ψ≦（９０Ｎ＋３２）度
１０度＜θ≦１４度かつ（９０Ｎ−５）度≦ψ≦（９０Ｎ＋５）度
（Ｎは整数）
【００２７】
また、ψが０度と９０度のときの窓を透過する光の強度を比較したところ、ψが０度のときの方が０．２ｄＢ光強度が大きくなった。したがって、本実施例で光半導体気密封止容器を作製する際、Ｎを０としたことによって、サファイア窓の透過率が向上したことが分かった。
【００２８】
３）ＰＡＮＤＡを接合した光モジュール
上述のように作製した光半導体封止容器の外部に、偏光保持ファイバー（ＰＡＮＤＡ）を一本ＹＡＧ接合させて、光モジュールを作製した。本発明の光モジュールを用いることにより、直線偏光を高度に保ったまま光信号を伝送することができた。さらに、光ファイバーアンプに必要な複数の励起光を偏波合成して、効率よく光ファイバーアンプを使用することができた。同時に、アイソレータの構造を簡略化することができた。
【００２９】
４）半導体レーザ素子を装着した光モジュール
上述のように作製した光半導体封止容器に半導体レーザ素子をハイブリッド集積した。本発明の光半導体封止容器を使用したことにより、窓の外に接続したアイソレータでの光損失を抑制できた。
【００３０】
５）異方性光学材料を用いた光導波路素子を装着した光モジュール
上述のように作製した光半導体封止容器を用いて、マッハテンダー型の素子を装着し、異方性光学材料であるＬＮを用いた変調器を作製した。本発明の光半導体封止容器を用いたことにより、ＬＮ変調器内部で生じる複屈折を抑制でき、Ｓ／Ｎ比のよい光信号を得ることができた。
【００３１】
６）半導体光増幅素子を装着した光モジュール
上述のように作製した光半導体封止容器に半導体光増幅素子をハイブリッド集積し、半導体光増幅器を作製した。この半導体光増幅器のサファイア板の窓の外側には、さらに、λ／４板を装着した。光ファイバーからの入射光をλ／４板を通して直線偏光とし、この半導体光増幅器を用いて光信号を増幅すると、偏波依存性を生じることなく増幅特性を向上させることができた。この半導体光増幅器を利用した波長変換素子及び高速動作可能な光−光スイッチング素子では、インサーションロスが低減でき、Ｓ／Ｎ比のよい信号光が得られた。また、λ／４板を通して直線偏光を得た後、偏光面を位置合わせしてＹＡＧ溶接し、半導体光増幅器を作製した。すると、この場合にはさらに光増幅特性を向上させることができた。
【００３２】
７）反射機構を備えた光モジュール
上述のように作製した光モジュールの外側に、選択的に特定の波長を反射する反射機構である、光ファイバーグレーティングを設けた。このときに、入射光の発振モードの乱れを抑制することができ、波長選択性に優れた光モジュールが作製できた。さらに、光信号のロスも小さくなり、光強度が増した。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の光モジュールは、製造が容易で、機械的強度があり、光信号の偏光面の崩れを生じない。さらに、本発明の光モジュールは、偏光消光比が−３０ｄＢ以下と小さく、光通信に好適に用いられる。また、本発明の光モジュールは、射出する光強度が大きく、射出光のモード安定性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】気密封止容器窓部の概略構成図である。
【図２】角度ψ及びθの説明図である。
【図３】角度ψ、θ、及び偏光消光比の関係を示す図である。
【図４】ｄが１．０ｍｍ、λが１．４８μｍ（０．００１４８ｍｍ）のときの、角度ψ、θ、及び偏光消光比の関係を示すグラフである。
【図５】ｄが０．５ｍｍ、λが１．４８μｍ（０．００１４８ｍｍ）のときの、角度ψ、θ、及び偏光消光比の関係を示すグラフである。
【図６】ｄが０．２８ｍｍ、λが１．４８μｍ（０．００１４８ｍｍ）のときの、角度ψ、θ、及び偏光消光比の関係を示すグラフである。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical module used for optical communication, and more particularly to an optical module that is highly airtight and that does not collapse the polarization plane of transmitted light.
[0002]
[Prior art]
In the field of optical communication, which has been remarkably developed in recent years, the airtightness of optical modules is regarded as important in order to reliably transmit optical signals. That is, when the inside of the optical module is in a high-temperature and high-humidity state, the electrode part of the optical semiconductor element disposed inside the optical module deteriorates, and moisture that has entered the inside condenses to deteriorate the optical characteristics of the optical semiconductor element, This is because the lifetime of the optical semiconductor element of 10 years or more cannot be guaranteed.
[0003]
By the way, the optical module has a role of optically coupling an internal optical semiconductor element and an external optical fiber using a lens. In order to maintain this optical system while ensuring the airtightness of the optical module, the optical semiconductor hermetically sealed container employs a light transmission type window structure.
[0004]
A sapphire is often used for a window material of an optical module casing (hermetic sealed container) because of its excellent translucency and high strength. Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-148594 discloses a basic structure and manufacturing method of a housing for an optical module using sapphire for a light transmission type window. Regarding the window structure of the housing, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-148594 describes the relationship between the optical axis and the C axis of sapphire. Here, a window structure is proposed in which the optical axis that is refracted according to Snell's law and the C axis of the window plate coincide with each other so as not to cause birefringence of light, that is, the polarization plane of light does not rotate.
[0005]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-54642 proposes an optical module window structure using borosilicate glass as a window plate. Borosilicate glass is inexpensive and has better translucency than sapphire. Further, borosilicate glass is an isotropic material and does not cause birefringence of light. However, since borosilicate glass is elastically strained due to heat or other stress, there is a problem that the plane of polarization of transmitted light is broken. However, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-54642, by applying uniform stress to the glass, the collapse of the polarization plane of the light can be reduced, and in that case, it becomes an index of the collapse of the polarization plane of the light. It turned out that the polarization extinction ratio mentioned later becomes as small as about -40 dB, and does not become a problem in practical use.
[0006]
Here, the collapse of the polarization plane of light is generally expressed by the following polarization extinction ratio. In the crossed Nicols experimental system, when the polarizer on the light exit side is rotated 90 degrees with respect to the light incident side, the maximum light intensity is I _max and the minimum light intensity is I _min. It is defined by 10 × log ₁₀ (I _min / I _max ). Therefore, the smaller the polarization extinction ratio, the smaller the collapse of the polarization plane of light.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, with the advancement of high-density wavelength multiplexing technology and high-speed technology in optical communication, maintaining the polarization plane of light to be transmitted and ensuring the uniformity of the wavelength have become major issues. Of these, to solve the latter, it is desirable to form an external resonator structure via an optical fiber outside the hermetically sealed container, such as an optical fiber grating, but in this case as well, it is necessary to maintain the polarization plane of light. It becomes. The degree of polarization plane maintenance required at this time is -30 dB in the above-described polarization extinction ratio, that is, I _max exceeds 1000 times I _min , which is a severe condition that cannot be achieved by the above-described conventional technology.
[0008]
Furthermore, in the above conventional technique using sapphire for the window plate, the following method must be used to establish a preferable relationship between the optical axis and the C axis of sapphire. That is, using a sapphire plate cut out perpendicular to the C axis, the sapphire plate is arranged perpendicular to the optical axis so that the optical axis and the C axis coincide with each other. It was necessary to polish and produce a sapphire plate having a specific angle, and to precisely align the C-axis position of the sapphire plate with respect to the optical axis. In the former case, reflected return light is generated on the incident side, which is not suitable for an optical module. In the latter case, it is difficult to strictly align, and it is difficult to manufacture the window portion with the angle fixed accurately.
[0009]
Further, even when borosilicate glass is used for the window plate, borosilicate glass has a drawback that its strength is weak. Accordingly, the borosilicate glass window plate is not suitable for use under more severe conditions, and is an insufficient material in actual use. Actually, the use in the field where ultra-high reliability for submarine cables is required is still avoided.
[0010]
Therefore, an object of the present invention is to provide an optical module having a window structure that is easy to manufacture, has mechanical strength, has a small polarization extinction ratio, and does not collapse the polarization plane.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a housing;
An angle ψ formed by the C-axis of sapphire and the polarization plane of light that is linearly polarized light when viewed from the optical axis. And an angle θ between the C axis of sapphire and the optical axis, the following relational expressions (1) to (4) are established.
(1) n = ωε / √ (ω ² cos ² θ + ε ² sin ² θ)
(2) δ = 2πd (ω−n) / λ
[Expression 2]

(4) -30 ≧ + 20 log (tan β)
However,
ω: main refractive index of sapphire ε: sub-refractive index of sapphire λ: wavelength of transmitted light d: thickness of sapphire plate
Further, according to the present invention, in the above optical module, when the plate thickness of sapphire is 0.28 mm and N is an integer, the following ( An optical module is provided in which the relational expression of any one of 5) to (7) is established.
(5) 6 degrees ≦ θ ≦ 10 degrees and (90N−9) degrees ≦ ψ ≦ (90N + 9) degrees (6) 2 degrees ≦ θ <6 degrees and (90N−32) degrees ≦ ψ ≦ (90N + 32) degrees (7 ) 10 degrees <θ ≦ 14 degrees and (90N−5) degrees ≦ ψ ≦ (90N + 5) degrees
First, an angle ψ formed between the C axis of sapphire and the light polarization plane and an angle θ formed between the C axis of sapphire and the optical axis will be described with reference to FIG. In FIG. 2A, the solid line arrow represents the optical axis, and the direction of the arrow is the light traveling direction. A rectangle in the center of FIG. 2A is a cross section of the sapphire plate, and a broken arrow represents the C axis of the sapphire crystal. The sapphire plate is cut and polished so as to be perpendicular to the C axis. As shown in this figure, the angle between the optical axis and the C axis of sapphire is θ. FIG. 2B is a view of FIG. 2A as viewed from the incident light side, in which a circular sapphire plate is shown, and the optical axis is perpendicular to the paper surface. A solid double arrow in FIG. 2B indicates the polarization direction of incident light. The broken-line arrow in FIG. 2B shows the projection of the sapphire crystal onto the C-axis plane (plane perpendicular to the optical axis), and the actual C-axis is obliquely upward from the plane by θ. Yes. As shown in FIG. 2B, the angle formed by the projection of the C axis and the polarization direction of light is ψ.
[0014]
In a uniaxial crystal such as sapphire, birefringence does not occur when the optical axis and the C-axis of the crystal coincide with each other, and the polarization plane of incident light is maintained without rotating. However, as described above, there is an influence of reflected return light and there are manufacturing difficulties. On the other hand, if the incident light is linearly polarized by experiments, the inventors have determined the angle between the polarization plane of the incident light and the C axis without matching the optical axis of the incident light and the C axis of sapphire. It was confirmed that birefringence does not occur by setting both to the same plane. In addition, it was found that the polarization plane of light and the C axis should be the same plane in order to ensure a polarization extinction ratio of −30 dB, which is a sufficient condition necessary in the field of optical communications. However, it is very difficult to make the light polarization plane and the C-axis of sapphire exactly the same plane when manufacturing the casing.
[0015]
Therefore, as a result of research, the present inventors have investigated the angle θ between the optical axis of incident light and the C axis of sapphire, the angle ψ between the polarization plane of incident light and the C axis of sapphire, the main refractive index ω of sapphire, Using sapphire sub-refractive index ε, transmitted light wavelength λ, and sapphire plate thickness d, we succeeded in obtaining an approximate expression that can describe the polarization extinction ratio of transmitted light with high accuracy when dealing only with linearly polarized light. did. That is the expression on the right side of the aforementioned (1) to (3) and (4). The graphs of FIGS. 4 to 6 show the dependence of the measured value and the calculated value of the polarization extinction ratio on θ and ψ when d is changed. From these graphs, it can be seen that the measured values and the calculated values using the approximate expression are in good agreement.
[0016]
Furthermore, as a result of trial production, the present inventors have found an optimum range in which a desirable polarization extinction ratio can be obtained. The above inequality (4) and the relational expressions (5) to (7) when d is 0.28 mm are the optimum range. That is, even if the optical axis of incident light and the C axis of sapphire do not coincide with each other, the angle between the polarization plane of the light and the C axis is suppressed to satisfy the condition that the polarization extinction ratio is -30 dB or less. Can do. Conversely, even if it is easy to manufacture by increasing the angle between the polarization plane of incident light and the C axis of sapphire, the angle between the optical axis of incident light and the C axis is suppressed to satisfy the condition of −30 dB or less. can do. When (4) is established, the thickness d of the sapphire plate is preferably 0.3 mm or less. In Examples described later, a sapphire plate having a thickness of 0.28 mm was used.
[0017]
In addition, by using a semiconductor laser and connecting a polarization maintaining (PANDA) fiber outside the junction of the optical module of the present invention, light is transmitted while maintaining the polarization plane of linearly polarized light more accurately and at a high level. can do. In this case, it is possible to efficiently use the optical fiber amplifier by combining the plurality of excitation lights necessary for the optical fiber amplifier with polarization. Therefore, efficient amplification of the transmitted optical signal is possible. Further, the structure of an isolator used for optical communication together with the optical module of the present invention can be simplified, and the cost can be reduced.
[0018]
Also, in a modulator made of LN, which is an anisotropic optical material, using the optical module of the present invention, the birefringence generated inside the LN modulator can be suppressed because the polarization extinction ratio of the window is small. An optical signal with a good S / N ratio can be obtained.
[0019]
In addition, when a semiconductor laser is mounted inside the housing of the optical module of the present invention, optical loss in an isolator connected outside the window can be suppressed.
[0020]
Furthermore, the optical module of the present invention may include a quarter-wave plate (λ / 4 plate) outside the sapphire plate . Conventionally, in a semiconductor optical amplifier, there has been a problem that the amplification characteristic has polarization dependency. However, if the semiconductor optical amplifier using the optical module of the present invention is used after the incident light to the optical module is linearly polarized by the λ / 4 plate, the amplification characteristic can be improved without polarization dependency. . After obtaining linearly polarized light by inserting a λ / 4 plate, aligning the plane of polarization with the C axis of sapphire and further YAG welding the λ / 4 plate will further improve the amplification characteristics of the semiconductor optical amplifier. Can do. Therefore, it is possible to reduce the insertion loss of the wavelength conversion element using the semiconductor optical amplifier and the optical-optical switching element capable of high-speed operation, and obtain an optical signal with a good S / N ratio.
[0021]
Furthermore, by providing a reflection mechanism such as an optical fiber grating that selectively reflects a specific wavelength outside the joint portion of the optical module of the present invention, it can resonate with the optical element inside the optical module. At this time, the disturbance of the oscillation mode of the optical signal caused by the birefringence of the window can be suppressed, and the loss of the optical signal can be reduced, so that the light intensity of the signal is increased.
[0022]
In the above relational expressions (5) to (7), when N is set to 0 or an even number, absorption of light due to polarization of sapphire does not occur when light is incident on the sapphire plate. For this reason, the transmittance of the sapphire plate is improved, and an optical signal can be transmitted without loss.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【Example】
1) Production of optical semiconductor hermetic sealing container In this example, the following relational expression holds between the angle ψ formed by the C-axis of sapphire and the polarization plane of light and the angle θ formed by the optical axis and C-axis. Thus, as one form of the optical module of the present invention, an optical semiconductor hermetically sealed container was produced as follows. N was 0.
6 degrees ≦ θ ≦ 10 degrees and (90N-9) degrees ≦ ψ ≦ (90N + 9) degrees
A schematic configuration of the window portion of the manufactured optical semiconductor hermetic sealing container is shown in FIG. The hermetically sealed container 1 is entirely composed of a bottom plate 5 and a container side wall 2. The container side wall 2 is provided with a cylindrical portion 3 in which a circular sapphire plate 4 is fitted. The container side wall 2 corresponding to the sapphire plate 4 is cut into a circular shape, and the cylindrical portion 3 and the sapphire plate 4 constitute a light transmission type window.
[0025]
The optical semiconductor hermetic sealing container 1 was produced by silver brazing using a Kovar for the bottom plate 5, Kovar for the container side wall 2, and Kovar for the pipe of the cylindrical portion 3 of the light transmission type window. For this, the terminal portion used was a structure in which a Kovar pin was sealed with low-melting glass, and nickel gold plating was applied. In order to fit the sapphire plate 4 in the container side wall 2, a pipe having an angle plane of θ with respect to the side wall as a cylindrical portion 3 is inclined by ψ with respect to the polarization plane of incident light Silver-plated. Actually, a cylindrical hole was made in the container side wall 2, a cylindrical pipe was fitted, and alignment was performed with a carbon jig. The thickness of the sapphire plate used was 0.28 mm, and the refractive index of the sapphire was 1.7679 along the C axis and 1.7759 on the plane perpendicular to the C axis. The surface of the sapphire plate 4 was perpendicular to the C axis. Actually, since the C axis has an angular deviation, the carbon jig was designed so that θ and ψ can be made small. The sapphire was given an AR coat of MgF. Here, the coating may use a multilayer film of TiO and SiO in addition to MgF. If θ is the Brewster angle, AR coating may not be applied to the sapphire plate if ψ is small and close to 0 degrees. The metallization on the sapphire plate was Ti / Pt / Au from the sapphire side. The sapphire plate was AuSn brazing material and hermetically sealed to the hermetic sealing container 1.
[0026]
2) Measurement of polarization extinction ratio About the optical semiconductor hermetic sealing container produced as described above, θ and ψ were used as parameters, and the polarization extinction ratio after the optical signal passed through the window of the sapphire plate was obtained. Here, as the LD light, light having λ of 1.48 μm (0.00148 mm) was used. The result is shown in the graph of FIG. From this graph, it can be seen that the measured value and the calculated value using the approximate expression are in good agreement. Further, in order to clearly show the range of ψ and θ, the graph of FIG. 3 is shown. In FIG. 3, the horizontal axis represents ψ, the vertical axis represents θ, and the gray shaded area represents the polarization extinction ratio. The polarization extinction ratio has a periodicity of 90 degrees with respect to ψ, and the maximum point and the minimum point are repeated every 90 degrees. Of the regions shown in shades of gray, when ψ is 45 degrees, the polarization extinction ratio takes the maximum value at any angle θ, and when ψ is 0 degrees and 90 degrees, what is the polarization extinction ratio? It was found that the angle θ also takes the minimum value. When ψ is shifted from 0 degrees by 45 degrees, which is a half cycle, the maximum and minimum polarization extinction ratios are switched. In the vicinity of ψ being 0 degrees and 90 degrees where the polarization extinction ratio is maximum, the polarization extinction ratio does not vary much even if θ increases. However, when ψ at which the polarization extinction ratio is minimum is around 45 degrees and 135 degrees, the polarization extinction ratio varies greatly due to the variation of θ. The ranges of θ and ψ that are equal to or less than the polarization extinction ratio of −30 dB required for optical communication were as follows.
6 degrees ≦ θ ≦ 10 degrees and (90N−9) degrees ≦ ψ ≦ (90N + 9) degrees 2 degrees ≦ θ <6 degrees and (90N−32) degrees ≦ ψ ≦ (90N + 32) degrees 10 degrees <θ ≦ 14 degrees and (90N−5) degrees ≦ ψ ≦ (90N + 5) degrees (N is an integer)
[0027]
Further, when the intensity of light transmitted through the window when ψ was 0 ° and 90 ° was compared, the 0.2 dB light intensity was greater when ψ was 0 °. Therefore, it was found that the transmittance of the sapphire window was improved by setting N to 0 when producing the optical semiconductor hermetic sealing container in this example.
[0028]
3) Optical module with PANDA bonded An optical module was manufactured by YAG bonding one polarization maintaining fiber (PANDA) to the outside of the optical semiconductor sealing container manufactured as described above. By using the optical module of the present invention, it was possible to transmit an optical signal while maintaining a high degree of linearly polarized light. Furthermore, the optical fiber amplifier could be used efficiently by combining the multiple excitation lights necessary for the optical fiber amplifier. At the same time, the structure of the isolator could be simplified.
[0029]
4) Optical module equipped with a semiconductor laser element The semiconductor laser element was hybrid-integrated in the optical semiconductor sealing container manufactured as described above. By using the optical semiconductor sealing container of the present invention, light loss in an isolator connected outside the window could be suppressed.
[0030]
5) Optical module equipped with optical waveguide element using anisotropic optical material LN, which is an anisotropic optical material, is attached with a Mach tender type element using the optical semiconductor sealing container produced as described above. A modulator using was manufactured. By using the optical semiconductor sealing container of the present invention, birefringence generated inside the LN modulator could be suppressed, and an optical signal having a good S / N ratio could be obtained.
[0031]
6) Optical module equipped with a semiconductor optical amplifier device The semiconductor optical amplifier device was hybrid-integrated in the optical semiconductor sealing container manufactured as described above to manufacture a semiconductor optical amplifier. A λ / 4 plate was further mounted outside the window of the sapphire plate of this semiconductor optical amplifier. When incident light from an optical fiber is converted into linearly polarized light through a λ / 4 plate and an optical signal is amplified using this semiconductor optical amplifier, amplification characteristics can be improved without causing polarization dependence. In the wavelength conversion element using this semiconductor optical amplifier and the optical-optical switching element capable of high-speed operation, the insertion loss can be reduced and signal light with a good S / N ratio can be obtained. Further, after obtaining linearly polarized light through a λ / 4 plate, the polarization plane was aligned and YAG welding was performed to produce a semiconductor optical amplifier. In this case, the optical amplification characteristics could be further improved.
[0032]
7) Optical Module with Reflection Mechanism An optical fiber grating, which is a reflection mechanism that selectively reflects a specific wavelength, was provided outside the optical module manufactured as described above. At this time, disturbance of the oscillation mode of incident light could be suppressed, and an optical module excellent in wavelength selectivity could be produced. Furthermore, the loss of the optical signal is reduced and the light intensity is increased.
[0033]
【The invention's effect】
The optical module of the present invention is easy to manufacture, has mechanical strength, and does not cause the polarization plane of the optical signal to collapse. Furthermore, the optical module of the present invention has a small polarization extinction ratio of -30 dB or less, and can be suitably used for optical communication. In addition, the optical module of the present invention has a high intensity of emitted light and is excellent in mode stability of emitted light.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a hermetically sealed container window.
FIG. 2 is an explanatory diagram of angles ψ and θ.
FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between angles ψ, θ, and a polarization extinction ratio.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between angles ψ, θ and polarization extinction ratio when d is 1.0 mm and λ is 1.48 μm (0.00148 mm).
FIG. 5 is a graph showing the relationship between angles ψ, θ and polarization extinction ratio when d is 0.5 mm and λ is 1.48 μm (0.00148 mm).
FIG. 6 is a graph showing the relationship between angles ψ, θ and polarization extinction ratio when d is 0.28 mm and λ is 1.48 μm (0.00148 mm).

Claims

An optical module,
A housing,
An angle ψ formed by the C-axis of sapphire and the polarization plane of light that is linearly polarized light when viewed from the optical axis. And an angle θ between the C axis of sapphire and the optical axis, the following relational expressions (1) to (4) are established:
(1) n = ωε / √ (ω ² cos ² θ + ε ² sin ² θ)
(2) δ = 2πd (ω−n) / λ

(4) -30 ≧ + 20 log (tan β)
However,
ω: main refractive index of sapphire ε: secondary refractive index of sapphire λ: wavelength of transmitted light d: thickness of sapphire plate

When the thickness d of the sapphire plate is 0.28 mm and N is an integer, any one of the following relational expressions (5) to (7) between the angle ψ and the angle θ: The optical module according to claim 1, wherein:
(5) 6 degrees ≦ θ ≦ 10 degrees and (90N−9) degrees ≦ ψ ≦ (90N + 9) degrees (6) 2 degrees ≦ θ <6 degrees and (90N−32) degrees ≦ ψ ≦ (90N + 32) degrees (7 ) 10 degrees <θ ≦ 14 degrees and (90N−5) degrees ≦ ψ ≦ (90N + 5) degrees

The optical module according to claim 1, wherein at least one polarization maintaining fiber is provided outside the joint .

Furthermore, in the said housing | casing, it has any one of a semiconductor laser element, a semiconductor optical amplifier element, and the optical waveguide element using an anisotropic optical material. The described optical module.

Furthermore, it has a quarter wavelength plate in the outer side of the said sapphire plate, The optical module as described in any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned.

The optical module according to any one of claims 1 to 5, further comprising a reflection mechanism that reflects light having a specific wavelength outside the joint portion .

The optical module according to claim 2, wherein N is 0 or an even number.